Wasser: Geschichte, Arten und moderne Aufbereitungsverfahren

Hintergrund

Wasser (H₂O) ist das essentielle Lösungsmittel, das das Leben der meisten Pflanzen und Tiere auf der Erde erhält. In seiner reinsten Form ist Wasser geschmacksneutral, geruchlos und transparent, wobei es in größeren Mengen einen dezenten Blauton annimmt. Da es eine Vielzahl von Mineralien und Chemikalien löst, enthält die meisten natürlichen Wasser gelöste Salze, organische Stoffe und manchmal Bakterien. Kommunale Wasserversorgungen werden aufbereitet, um schädliche Substanzen zu entfernen; Premium-Flaschenwasser wird oft weiter veredelt, um nahezu absolute Reinheit zu erreichen. Das englische Wort water stammt vom deutschen Wasser ab, das auf eine altindogermanische Wurzel mit der Bedeutung „benetzen“ oder „waschen“ zurückgeht.

Historische Entwicklung

Die kontrollierte Wassernutzung reicht mindestens bis 8000 v. Chr. zurück, als ägyptische und asiatische Bauern Flutwasser für die Bewässerung auffingen. Die ersten Bewässerungskanäle entstanden um 2000 v. Chr. in Ägypten und Peru, und bis 1000 v. Chr. baute die jordanische Stadt Karcho Aquädukte – die früheste dokumentierte kommunale Wasserversorgung. Frühe Aufbereitungsmethoden waren überraschend raffiniert: Altindische Sanskrit-Texte empfehlen, Wasser in Kupfergefäßen zu lagern, es Sonnenlicht auszusetzen und durch Holzkohle zu filtern. Ägyptische Inschriften nennen ähnliche Praktiken. Hippokrates (ca. 400 v. Chr.) propagierte Abkochen und Tuchfiltration. Dennoch blieben unbehandeltes Fluss- und Brunnenwasser die Norm, bis Verunreinigungen im 19. Jahrhundert zu einer öffentlichen Gesundheitskrise führten.

Schnelle Industrialisierung und Bevölkerungswachstum verwandelten Flüsse in offene Abwasserkanäle, was Cholera, Typhus und andere wasserbedingte Krankheiten begünstigte. 1800 bewies William Cruikshank, dass kleine Chlordosen wasserbewohnende Keime abtöten. In den 1890er Jahren reduzierte Sandfiltration die Krankheitsfälle deutlich. Öffentlicher Druck zwang US-Städte bis Anfang des 20. Jahrhunderts zur Einführung von Wasseraufbereitungssystemen. Trotz dieser Fortschritte gefährdeten Industrieabfälle – Blei, Arsen, Pestizide – weiterhin die Wasserqualität, was 1948 den Water Pollution Control Act als erste umfassende Bundesregulierung nach sich zog. Spätere Gesetze mündeten in EPA-Wasserqualitätsstandards, während viele Bundesstaaten noch strengere Vorschriften erlassen.

Wasserarten

Reines Wasser ist selten; die meisten natürlichen Gewässer enthalten gelöste Mineralien, Salze und Schwebstoffe. Die Klassifizierung richtet sich nach dem Verunreinigungsgrad.

Leitungswasser wird desinfiziert, von Sedimenten befreit und geruchsbeseitigt. Zusätzliche Chemikalien können aus Qualitätsgründen zugegeben werden.

Hartes Wasser enthält hohe Konzentrationen an Calcium- und Magnesiumsalzen, was Seifenkalk verursacht. Es wird in vorübergehend hartes Wasser – mit Bicarbonaten, die beim Erhitzen Kalk bilden – und dauerhaft hartes Wasser – mit Sulfaten, Chloriden oder Nitraten, die stabil bleiben – unterteilt. Weiches Wasser hat niedrige Calcium-/Magnesiumwerte; „enthärtetes Wasser“ bezeichnet hingegen hartes Wasser, dem die Salze chemisch entzogen wurden, oft mit hohem Natriumchlorid-Anteil als Ergebnis.

Mineralwasser, reich an gelösten Mineralien, gliedert sich in fünf Hauptkategorien: salzhaltig, alkalisch, eisenhaltig, schwefelhaltig und trinkbar. Salzhaltiges Wasser weist hohe Natrium- oder Magnesiumsulfat-/chloridwerte auf; alkalisches Wasser hat einen pH-Wert von 7,2–9,5; eisenhaltiges Wasser ist eisenreich; schwefelhaltiges Wasser enthält Schwefelverbindungen mit charakteristischem Faul-Ei-Geruch; trinkbares Wasser hat <500 ppm Mineralien und wird häufig als Spezial-Trinkwasser abgefüllt.

Kohlensäure-, Soda- und Sprudelwasser enthalten gelöstes CO₂, entweder natürlich aus Kalksteinschichten oder künstlich unter Druck injiziert.

Quell- und Arteserwasser unterscheiden sich durch ihr natürliches Austreten aus dem Boden ohne Bohren oder Pumpen, teilen ansonsten aber die Eigenschaften anderer Wasserquellen.

Destilliertes Wasser entsteht durch Verdampfung und Kondensation, wodurch die meisten Verunreinigungen entfernt werden; deionisiertes (entmineralisiertes) Wasser nutzt Ionenaustausch zur Entfernung von Kationen und Anionen; gereinigtes Wasser kombiniert Filtration, Destillation, Deionisation, Umkehrosmose und UV-Sterilisation, um praktisch alle Mineralien und Chemikalien zu eliminieren.

Rohstoffe

Wassermoleküle bestehen aus zwei Wasserstoffatomen, die an ein Sauerstoffatom gebunden sind (H₂O). Neben H₂O enthält Wasser typischerweise eine Vielzahl organischer und anorganischer Materialien.

Die kommunale Aufbereitung kann Desinfektionsmittel (Chlor, Chloramin, Ozon), Koagulanten (Aluminiumsulfat, Eisen(III)-chlorid, organische Polymere), Säureneutralisierer (Natronlauge, Kalk) und Fluoridverbindungen für die Zahngesundheit zuführen.

Der Aufbereitungsprozess

Die Wasseraufbereitung variiert je nach Verwendungszweck. Bewässerungswasser kann unbehandelt bleiben, während pharmazeutisches Wasser extremer Reinigung unterzogen wird.

Im Folgenden ein typischer Ablauf für kommunales Trinkwasser:

Gewinnung

• 1 Die meisten kommunalen Versorgungen stammen aus Grund- und Oberflächenwasser. Grundwasser wird durch Bohrungen in Aquiferen oder natürliche Quellen erschlossen. Oberflächenwasser wird durch Aufstauen von Flüssen hinter Dämmen gewonnen. Das umliegende Einzugsgebiet wird als Wassereinzugsgebiet bezeichnet; der Zugang wird oft reguliert, um Verunreinigungen durch Oberflächenabfluss zu verhindern.
• 2 Wasser wird von Brunnen oder Dämmen über offene Kanäle oder geschlossene Rohre zu den Aufbereitungsanlagen geleitet. In manchen Fällen legt es hunderte Kilometer zurück und wird in Zwischenreservoirs gespeichert, um eine kontinuierliche Versorgung zu gewährleisten.

Desinfektion

• 3 Einige Anlagen beginnen die Behandlung mit Ozon-Kontaktkammern – eine in Europa übliche, in den USA seltene Methode. Ozon (O₃) wird erzeugt, indem Druckluft durch einen Hochspannungsbogen geleitet wird, wodurch O₂-Moleküle gespalten werden. Ozon tötet Mikroorganismen effektiv ab und baut geruchsbildende Verbindungen ab, hat aber eine kurze Lebensdauer; daher wird später eine kleine Dosis Chlor oder Chloramin für die Nachdesinfektion zugegeben.

Koagulation/Flockung

• 4 Koagulanten werden im Schnellmischer rasch mit dem Wasser vermischt, neutralisieren die Ladungen der Schwebeteilchen und bewirken deren Verklumpung.
• 5 Das Wasser durchläuft anschließend langsame Mischer, in denen sich Flocken – größere Aggregate – bilden und absetzen.

Absetzung

• 6 Das Gemisch gelangt in ein Absetzbecken, wo die Flocken zu Boden sinken. Einige Becken verfügen über zwei Stufen zur Kapazitätserhöhung. Abgesetzte Feststoffe werden in ein Haltbecken abgesaugt, in einem Eindicker verdickt und gepresst, um Wasser zu entziehen. Verbleibende Feststoffe werden deponiert.

Filtration

• 7 Teilgeklärtes Wasser passiert Schichten aus Sand und zerkleinerter Kohle, die Feinpartikel und einige Organismen zurückhalten, besonders in Anlagen ohne Ozonvorbehandlung.

Adsorption

• 8 Bestimmte Anlagen nutzen Aktivkohlebetten; Schadstoffe haften an den Kohleoberflächen durch Adsorption.

Belüftung

• 9 In Gebieten mit hohem Eisen-, Mangan- oder gelösten Gasen wird Wasser aus großen Becken in die Luft versprüht, um es zu belüften. Die Sauerstoffanreicherung lässt einige Verunreinigungen ausfällen oder verdunsten.

Fluoridierung

• 10 Fluoridverbindungen werden zur Kariesprophylaxe zugegeben. Natürliches Fluorid kann bereits vorhanden sein, sodass eine Zusatzdosierung optional ist. Fluoridierung bleibt umstritten, und nicht alle Kommunen wenden sie an.

Neutralisation

• 11 Um Rohrkorrosion zu reduzieren, wird der pH-Wert durch Chemikalien auf ein neutrales Niveau eingestellt.

Verteilung

• 12 Beim Verlassen der Anlage erhält das Wasser eine Restdosis Chlor oder Chloramin, um Mikroorganismen abzutöten, die ins Verteilnetz gelangt sein könnten. Wurde kein Ozon vorab eingesetzt, wird eine höhere Restdosis appliziert.
• 13 Das Wasser wird dann in abgedeckten Behältern oder Reservoirs gespeichert – oft in erhöhter Lage – um es vor Verunreinigung zu schützen und Druck zu halten. In anderen Gebieten sorgen bodengestellte Tanks mit Elektropumpen für ausreichenden Durchfluss.

Qualitätssicherung

Bundes- und Landesstandards setzen Höchstwerte für über 90 organische, anorganische, mikrobiologische und radioaktive Substanzen. Primärstandards schützen die menschliche Gesundheit; Sekundärstandards betreffen ästhetische Attribute wie Geschmack, Geruch und Aussehen. Ein typischer Wasserversorger führt jährlich >50.000 Analysen zur Konformitätsprüfung durch.

Ausblick

Die öffentliche Nachfrage nach sicherem Trinkwasser wird zunehmend strengere Standards vorantreiben. Ein aktuelles Problem ist die Bildung von Trihalomethanen (THM) bei der Reaktion von Chlor mit organischen Stoffen. THM bergen bei langfristiger Exposition ein Krebsrisiko von 1 zu 10.000. Chloramin – eine Ammoniak-Chlor-Mischung – bildet weniger THM und wird von vielen Anlagen bevorzugt. Weitere Alternativen sind Ozon, UV-Licht, Chlordioxid und Peroxon (Ozon-Wasserstoffperoxid). Fortgesetzte Innovation wird Desinfektionswirksamkeit mit Verbrauchersicherheit in Einklang bringen.